■スターリングの公式の図形的証明?(その65)
空間充填2(2^n−1)面体の場合について,再度計算してみる.
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Vn=(n+1)^(-1/2}・2^n/2/n^n
〜 π^(n/2)/Γ(n/2+1)・r^n
r^n〜VnΓ(n/2+1)/π^(n/2)
が成立しなければならない.
ここでは偶数次元の場合(n=2k)だけを扱うことにするが,
r^2k〜V2kk!/π^k
=(2k+1)^(-1/2}・2^k/(2k)^2k・k!/π^k
=(2k+1)^(-1/2}・2^k/(2k)^2k・k!/π^k
=(2k+1)^(-1/2}・(2πk^2)^-k・k!
=(n+1)^(-1/2}・(πn^2/2)^-n/2・(n/2)!
スターリングの近似式より,n→∞になるにつれて
(n/2)!〜√(πn)(n/2)^n/2exp(−n/2)
であるから
r^n〜(n+1)^(-1/2}・(πn)^-n/2√(πn)exp(−n/2)
〜√(πn)/(n+1)(eπn)^-n/2
〜√π(eπn)^-n/2
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
一方,
hj={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^1/2=r
であるから,
r^n={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^n/2
(n−j)/n=1−j/n
{(n−j)/n}^n〜exp(−j)
{(n−j)/n}^n/2〜exp(−j/2)
(j+1)/(n+1)〜j/n
より
r^n={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^n/2
〜(j/n)^n/2exp(−j/2)(2n)^-n/2
両者を比較すると,
(j/n)^n/2exp(−j/2)〜√π(eπ/2)^-n/2
対数をとると
n/2log(j/n)−j/2=−n/2log(eπ/2)+1/2logπ
log(j/n)−j/n=−log(eπ/2)+1/nlogπ
となって,jはきれいな形では求められないようだ.
そこで,2次方程式を解く方法に切り換える.
{(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}〜(π)^1/n/eπn
{(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}〜1/eπn
{(j+1)(n−j)/2n(n+1)}〜1/eπ
{(j+1)(n−j)}〜2/eπ・n(n+1)
j^2+(1−n)j−n+2/eπ・n(n+1)=0
j=1/2{n−1±√(n^2−2n+1+4n−8/eπ・n(n+1))
j/n=1/2{1−1/n±√(1−2/n+1/n^2+4/n−8/eπ)
j/n=1/2{1+√(1−8/eπ)}→1/2
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